高 同 玉

(遼寧省市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110006)

場地類別是勘察報告中必不可少的內(nèi)容，對抗震設(shè)計有重要影響。但是在山區(qū)工程建設(shè)中，由于場地條件的復(fù)雜性，可能會遇到同一項目存在不同場地類別的情況，有些甚至出現(xiàn)同一建筑范圍內(nèi)存在不同場地類別的情況。抗震設(shè)計時如何處理這種情況，將會直接影響工程安全和造價。

1 場地及場地類別辨析

在進(jìn)行場地類別劃分以前需要首先明確什么是場地。場地通俗意義上來講就是工程建設(shè)所在的區(qū)域，也就是規(guī)劃紅線內(nèi)的區(qū)域，這里可稱其為“紅線場地”，是審批部門批準(zhǔn)劃定的區(qū)域，區(qū)域范圍可大可小，沒有定數(shù)；而場地的另外定義是從抗震角度考慮的，同一類場地相似的反應(yīng)譜特征，這在相關(guān)規(guī)范中均有定義。簡列如下：

在GB 50011—2010(2016年版)建筑抗震設(shè)計規(guī)范和GB/T 50941—2014建筑地基基礎(chǔ)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)中定義相同，即均為：工程群體所在地，具有相似的反應(yīng)譜特征。其范圍相當(dāng)于廠區(qū)、居民小區(qū)或不小于1.0 km2的平面面積。此定義中“工程群體所在地”即可理解為與前述“紅線場地”相對應(yīng)。

在CECS 160：2004建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則(試用)中定義場地為：工程群體所在地。大體相當(dāng)于一個廠區(qū)、居民點(diǎn)或自然村的范圍，同一類場地應(yīng)具有相似的設(shè)計譜特征。

從以上定義可以看出，場地只有一個，就是工程群體所在地，即所謂“紅線場地”，而同一場地內(nèi)可能存在多種場地類別，同一類別場地具有相似的設(shè)計譜特征。

如滕州市地震小區(qū)劃圖，可以看到同一小區(qū)存在不同的反應(yīng)譜參數(shù)，即為不同的場地類型，如圖1所示。

實(shí)際上一般工程建設(shè)項目不可能都通過進(jìn)行反應(yīng)譜分析，來劃分場地類別，因此規(guī)范中給出了簡易可行的方法。在GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)和GB 18306—2015中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖均給出了通過剪切波速和覆蓋層厚度進(jìn)行場地類別劃分的方法。二者內(nèi)容一致，現(xiàn)給出GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)如表1所示。

表1 各類建筑場地的覆蓋層厚度 m

2 山區(qū)建筑場地類別劃分實(shí)例

根據(jù)以上表1進(jìn)行場地類別劃分，對于場地條件比較均勻的場地，一般一個場地只有一種場地類別，但當(dāng)遇到場地條件復(fù)雜的情況，如山區(qū)建筑地基坐落在半挖半填地基、挖方地基或填方地基上，此時通過上述方法進(jìn)行場地類別劃分時，同一場地可能存在不同場地類別，甚至同一棟建筑所在范圍內(nèi)存在不同場地類別。

如某小區(qū)住宅用地為低山丘陵地貌(見圖2)，局部為采石場形成的深積水塘，平均深度9 m，四周坑邊為陡坡，坡度大于80°?？碧浇衣兜貙訛殡s填土和基巖(中風(fēng)化石灰?guī)r)，土層厚度不足1 m，場區(qū)整平處理后，有些建筑位于坑內(nèi)回填地基上，有些建筑一部分位于坑內(nèi)回填地基上，一部分位于坑外巖石地基上。根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)表4.1.6判定，建筑地基全部為回填地基的場地類別為Ⅱ類，建筑地基既有回填地基又有巖石地基的場地類別為Ⅱ類和Ⅰ1類,抗震計算可按不利類別考慮。

3 地震反應(yīng)PLAXIS有限元分析

3.1 PLAXIS簡介

PLAXIS 2D程序是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能強(qiáng)大的通用巖土有限元計算軟件，已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜巖土工程項目的有限元分析中。

PLAXIS地震動分析中可以采用瑞利阻尼考慮粘滯特性，瑞利阻尼由質(zhì)量阻尼和剛度阻尼構(gòu)成，如式(1)所示。

C=αM+βK

(1)

其中，C為阻尼;M為質(zhì)量;K為剛度;α，β均為瑞利阻尼系數(shù)，α是決定質(zhì)量對阻尼的影響的參數(shù)。α越高，較低頻率的震動的阻尼越大。β是決定剛度對阻尼的影響的參數(shù)，β越高，較高頻率震動的阻尼越大。

α，β與阻尼比、自振頻率的關(guān)系如式(2)所示：

(2)

其中，ωi為自振頻率；ξi為阻尼比。

以上關(guān)系式說明，如果已知兩個頻率和阻尼比，則可以形成聯(lián)立方程，求解α和β。阻尼比、自振頻率可以通過共振柱試驗獲得。

3.2 地震反應(yīng)有限元分析模型

以下分別對位于較軟場地上的結(jié)構(gòu)、較硬場地上的結(jié)構(gòu)、一半較軟一半較硬場地上的結(jié)構(gòu)、一半軟(設(shè)置端承樁)一半硬場地上的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行地基基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)共同作用的動力分析。由于地震作用時間較短，土體動力剛度比靜態(tài)分析時大，為減少計算工作量，本文中土體、巖體、結(jié)構(gòu)體本構(gòu)模型均采用線性粘彈性模型。相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 有限元動力分析參數(shù)

分析模型上部結(jié)構(gòu)為4層框架帶一層地下室。下部地基尺寸為20 m×100 m，在底部邊界施加加速度時程，兩側(cè)邊界為地震波吸收邊界，具體如圖3所示。

底部施加的臺灣集集大地震加速度，其加速度時程曲線如圖4所示，傅里葉變換頻譜幅值如圖5所示，峰值加速度為0.361g，卓越周期0.89 s。

3.3 地震反應(yīng)有限元分析結(jié)果

1)兩類均勻場地地面地震反應(yīng)。

場地類別Ⅰ1類和Ⅱ類的地面加速度時程曲線如圖6所示。

從圖6看出，Ⅰ1類場地地面峰值加速度為0.18g，Ⅱ類場地地面峰值加速度為0.25g。Ⅱ類場地地面峰值加速度比Ⅰ1類場地大。

場地類別Ⅰ1類和Ⅱ類的地面加速度傅里葉頻譜如圖7，圖8所示。

由圖7，圖8可看出，Ⅰ1類場地卓越周期0.71 s，Ⅱ類場地卓越周期0.93 s，Ⅱ類場地卓越周期比Ⅰ1類長。

場地類別Ⅰ1類和Ⅱ類的地面加速度反應(yīng)譜如圖9所示。

由圖9可看出，Tg在(0～2.2 s)區(qū)間Ⅱ類場地加速度反應(yīng)譜比Ⅰ1類場地反應(yīng)譜大。

2)均勻、不均勻場地結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。

通過分析得到均勻場地、不均勻場地、不均勻場地設(shè)置樁基，上部結(jié)構(gòu)頂部(選取梁中部)加速度時程曲線如圖10，圖11所示。

從圖10看出，Ⅰ1類場地結(jié)構(gòu)峰值加速度為0.35g，Ⅱ類場地地面峰值加速度為0.49g。Ⅱ類場地結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)比Ⅰ1類大。

從圖11看出，不均勻場地天然地基上的結(jié)構(gòu)峰值加速度為0.42g，樁基上的結(jié)構(gòu)峰值加速度為0.19g。天然地基上的結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)比樁基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)大。

均勻場地、不均勻場地、不均勻場地置樁基，上部結(jié)構(gòu)頂部(選取梁中部)峰值加速度一覽表如表3所示。

表3 不同類型場地結(jié)構(gòu)頂部峰值加速度

通過表3可以看出，均勻場地時Ⅱ類場地結(jié)構(gòu)地震加速度反應(yīng)比Ⅰ1類場地大，半軟半硬的不均勻場地天然地基上的結(jié)構(gòu)地震加速度反應(yīng)介于前二者之間。設(shè)置樁基時結(jié)構(gòu)地震加速度反應(yīng)比天然地基時大大降低。

4 結(jié)論與建議

1)建筑場地可以只有一個，而場地類別可能存在多種。需要實(shí)事求是，具體問題具體分析。

2)如果擬建建筑位于場地類別分界線附近時，直接選用不利的場地類別進(jìn)行抗震設(shè)計當(dāng)然是偏于安全，但是造價需要增加，建議按照GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)4．1．6條處理，即當(dāng)有可靠的剪切波速和覆蓋層厚度且其值處于表4．1．6所列場地類別的分界線附近時，應(yīng)允許按插值方法確定地震作用計算所用的特征周期。

3)對進(jìn)行抗震性態(tài)設(shè)計的建筑，可以按照《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則(試用)》CECS 160：2004附錄B根據(jù)場地覆蓋層厚度和等效波速進(jìn)行抗震參數(shù)插值。

4)采用樁基的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)會有所降低，這對于改善不利地段的建筑抗震是有益的。

5)場地類別會影響設(shè)計特征周期和峰值加速度，應(yīng)進(jìn)行雙參數(shù)調(diào)整，具體可按照GB 18306—2015中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖進(jìn)行。

6)如果同一建筑范圍內(nèi)存在多種場地類別，可按不利場地類別考慮，并可考慮采用有利于抗震的地基基礎(chǔ)型式。

7)場地類別的劃分可以按照勘察期間地面進(jìn)行初步劃分，但如果場區(qū)整平后地面變化較大，需要進(jìn)行再次復(fù)核，不能盲目采用初步劃分結(jié)果，尤其對于半挖半填的地基。